Паяльник с жалом T12 и встроенным контроллером – первая проба

Не в первый раз замечаю – стоит публично озвучить какую-то нерешаемую проблему, как она в скором времени будет решена. В комментариях под одним из недавних обзоров я пожаловался, что есть мысли перейти на жала T12, но негде самому попробовать эти жала в работе. И тут внезапно один хороший человек дарит мне паяльник на жалах T12. Он даже не читал тех комментариев, связь между данными событиями более фундаментальная, сродни квантовой запутанности.



Паяльник не простой – у него в ручке находится плата управления с небольшим OLED-дисплеем, которая позволяет установить необходимую температуру жала. Для паяльника нужен только внешний блок питания на 24 В, который тоже в комплекте. Вместе с паяльником мне достались два жала: T12-BC2 и T12-K. Не знаю, они были в комплекте, или куплены отдельно. Знаю только, что куплен паяльник был на Aliexpress. Не составило труда найти ссылку на аналогичный паяльник, которую и привел в начале обзора.


Про подаренные вещи некультурно отзываться плохо. Но с другой стороны, от обзора будет гораздо больше пользы, если показать все достоинства и недостатки, как есть. Что я и постараюсь сделать. Конечно, исключительно с моей субъективной точки зрения.

Паяльниками с долговечными жалами я пользуюсь уже почти 20 лет. Паяют они откровенно плохо по сравнению с медными жалами, но это компенсируется тем, что жало не надо постоянно подтачивать. А если жало специальной формы (например, микроволна), то других вариантов и вовсе нет.

Мои паяльники – это клоны Hakko серии 900. Со временем у них начали ломаться ручки и выходить из строя нагреватели. Жала, несмотря на свою долговечность, тоже иногда требуют замены. Не знаю, в чем причина, может качество комплектующих упало, но после всех этих замен паяльники стали паять заметно хуже. Да и надоело с ними возиться, хочется чего-то нового.


Первая проба нового паяльника с жалом T12-BC2 показала, что греет он нереально сильно. При установленной температуре 280° новый паяльник паяет лучше, чем старый при 480°! Измерил термопарой тестера температуру на кончике жала для обоих паяльников, у первого получилось 310°, у второго 320°. Это на холостом ходу. При касании места пайки жало паяльника 900-й серии остывает намного сильнее, чем T12, которое здесь безусловно выигрывает, быстро реагируя и увеличивая нагрев. Этого как раз мне не хватало. Получается, термопары в новых нагревателях 900-й серии стали явно какие-то не такие, что вызвало занижение реальной температуры. Паяльник жалом T12 немного завышает температуру, но это была проба «из коробки», в меню есть калибровка температуры. А пока надо познакомится поближе, что же представляет из себя новый паяльник.


Внешне паяльник красивый, ручка прозрачная, видна печатная плата со всеми элементами. Параметры выводятся на OLED-дисплей с разрешением 128 х 32 пикселя и размером 0.91 дюйма. Цвет свечения, наверное, считается белым, хоть он имеет заметный синеватый оттенок. Для управления паяльником служит джойстик, который можно отклонять в 4-х направлениях и нажимать.

Читал здесь претензии к подобным ручкам насчет большого вылета жала. Такие паяльники издевательски называют словом «удочка». На себе не ощутил совершенно никакого дискомфорта из-за вылета жала. Он практически такой же, как и у паяльников 900-й серии, которыми паял много лет. Возможно, мне просто не с чем сравнивать, паяльниками с меньшим вылетом жала никогда не работал. А вот с еще большим вылетом работал, и тоже особых проблем не испытывал. В будущем планирую сравнить разные ручки для T12.

Ручка паяльника довольно толстая, в месте хвата имеет диаметр примерно 17 мм. Она гладкая и скользит в руках, нет ни резиновой накладки, ни насечек. Эту проблему легко устранить – нашел резинку от старой ручки 900-й серии. Она немного маловата, но вполне подошла. Ручка, конечно, стала еще толще, но держать ее с резинкой стало приятней. И заодно паяльник без звонкого стука можно положить на стол.


Со стуком здесь есть еще одна проблема. Когда в первый раз взял паяльник в руки, сразу пришло в голову слово «погремушка». Внутри ручки что-то с грохотом перекатывалось. Как оказалось, это датчик наклона SW-200D, который используется для перевода паяльника в сон. Ну как же можно так делать? Это же никуда не годится. Пусть не акселерометр, но бесшумный ртутный датчик наклона можно было поставить? Тут же заказал десяток таких датчиков на Aliexpress. Возможно, они будут работать хуже, так как им требуется значительный наклон для срабатывания. А датчик с шариком внутри размыкается и замыкается от любой вибрации. Но терпеть грохот шарика – за гранью добра и зла, пусть лучше паяльник вообще не засыпает.

Управление делается с помощью джойстика, который может отклоняться вверх-вниз, влево-вправо, а также нажиматься. Наклоны меняют установленную температуру, а нажатие делает вход в меню. В моем случае меню состоит из следующих пунктов: ATC, HSL, DMH, LED, LAG, IMA, OUT, RTN. Не буду заниматься их описанием, потому что это уже многократно описано. Замечу лишь, что сокращения пунктов меню для меня не совсем понятные. Почему HSL – это яркость дисплея, DMH – управление режимами standby и sleep, а IMA – поворот дисплея? Что такое OUT – понять не удалось даже по описанию.

Когда выбираем числовое значение какого-то параметра, то чтобы его редактировать, джойстик надо нажать. При этом на дисплее не меняется абсолютно ничего. Нельзя понять – уже находимся в режиме редактирования, или еще нет. Можно было как-то нарисовать значение по-другому, когда находимся в редактировании.

Еще одной неприятной неожиданностью было то, что у джойстика дублируются нажатия вниз и влево, а также вверх и вправо. Если бы реакция была раздельной, то можно было бы сделать редактирование параметра нажатием вверх и вниз, а переход между пунктами меню – вправо и влево. Попробовал немного попользоваться паяльником – у меня довольно часто случаются непроизвольные нажатия джойстика, когда случайно задеваю его рукой. Ничего сильно страшного не происходит – из меню есть довольно быстрый автоматический выход, но температуру на несколько градусов все-таки случайно поменял.

Наличие дисплея в ручке паяльника явилось источником еще одной проблемы. Большинство жал имеет тот или иной скос, поэтому работать ими можно только в определенном положении (имеется в виду поворот паяльника вокруг своей оси). И хочется, чтобы в этом положении нормально читался дисплей. Но когда жало зажимается в ручке с помощью гайки, то в самом конце оно проворачивается вместе с гайкой, в результате всегда оказывается повернутым относительно желаемого положения. Поначалу за много попыток подбирал положение жала – о быстрой смене тут нельзя даже говорить. Но в конце приспособился не зажимать жало сильно, чтобы его всегда можно было довернуть до желаемого угла.

Внутри паяльника все время мигает яркий синий светодиод, отключить который через меню невозможно. С появлением синих светодиодов в электронике появилась так называемая «синяя чума», которая явилась визитной карточкой безвкусно спроектированных устройств.

Еще более яркий синий светодиод постоянно горит на блоке питания. Он прямо слепит. К счастью, блок питания можно перевернуть светодиодом вниз.


Блок питания имеет сверхкороткий сетевой шнур. Это самый короткий шнур с литой вилкой, который мне доводилось видеть в жизни. Проблему легко решил – был изготовлен небольшой удлинитель. Обзор на него писать не буду, хотя он был бы здесь очень популярен.


Управление паяльника прямо в ручке является довольно спорным решением. Все равно на столе должна быть коробка – блок питания. Почему бы не разместить управление там? Понятно, что здесь на первом месте экономические причины. Ну и вторая причина – такой паяльник можно взять куда-то с собой, а блок питания можно найти на месте. Причем не обязательно на 24 В, паяльник работает и от 12 В, правда, время разогрева становится заметно больше. Но лично для меня пайка в полевых условиях не актуальна, поэтому паяльную станцию себе сделал в виде стационарного блока, теперь ее планирую перевести на T12. Уже заказаны ручки нескольких видов, естественно, без контроллера.

Алгоритм управления нагревателем здесь использует низкочастотный ШИМ. Примерно раз в секунду (или несколько чаще) нагреватель включается и отключается. Частота не постоянна, при пониженном напряжении питания она выше. Это мне не очень понравилось. Если прислушаться, импульсный БП издает в такт с включением нагревателя какие-то звуки. А у лабораторного БП, если питать паяльник от него, индикация тока постоянно дергается.

Вообще, использование импульсного БП для питания паяльника вызывает некоторые вопросы. История сделала большой круг и вернулась к тому, с чего начинала. Раньше паяльники были на 220 В, использовать их для пайки чувствительных к ESD деталей было рискованно. Особенно чувствительными были маломощные полевые транзисторы с изолированным затвором. Паяльник на время пайки приходилось выдергивать из розетки, иначе с большой вероятностью транзистор мог быть пробит. Позже появились низковольтные паяльники, развязанные трансформаторами от сети. С ними угрозы повреждения компонентов не было. А сейчас снова паяльники стали опасными.

Измерения на жале нового паяльника относительно батареи отопления дали напряжение 88 В и ток 60 мкА. Для сравнения, моя паяльная станция с обычным трансформатором и паяльником 900-й серии показывает 30 В и 3 мкА. Что любопытно, измерение емкости между сетью и выходом импульсного БП паяльника дает 100 пФ, в то время как измерение емкости между первичной и вторичной обмотками тороидального трансформатора в моей станции дает 700 пФ! И еще – в новом паяльнике корпус картриджа T12 никуда не подключен, а емкость между выводом нагревателя и корпусом составляет около 40 пФ. В общем, результаты измерений я пока объяснить не могу, надо смотреть напряжение на жале осциллографом. Вероятно, в случае импульсного БП там есть что-то высокочастотное.

В новом варианте станции для T12 оставлю обычный трансформатор, как проверенный временем вариант. У паяльников 900-й серии есть отдельный провод, который идет на разъем от жала. Заземлять жало напрямую – плохая идея, да и нет земли в домашних розетках. Довольно часто при макетировании устройств я паяю при включенной схеме, это значительно ускоряет процесс наладки. И даже если иногда при этом что-то будет сгорать (хотя я не помню таких случаев), все равно это будет выгодней, чем каждый раз дергать питание. При этом жало не должно быть к чему-либо подключено. Сначала я соединял его через резистор 1 МОм с общим проводом станции, но потом и от этого отказался. Не знаю, бывает ли вообще на жале статическое электричество в обычном понимании этого слова. По крайней мере, никогда с таким не сталкивался, многие годы работая жалом, которое никуда не подключено.

Поскольку я планирую адаптировать свою старую паяльную станцию DSS-90 под жала T12, то мне интересно, как выполнена электроника внутри этого паяльника. Для чего его надо разобрать. Со стороны жала разборка очевидна – надо открутить гайку. После этого половинки ручке с этой стороны расходятся. Для дополнительной фиксации от сдвига они имеют небольшие выступы, которые входят в углубления.


А вот как разбирается ручка с другой стороны – сразу непонятно. Там видны защелки, но как их расцепить? Сдвигать, сжимать, или делать что-то еще? С некоторым трудом удалось ручку раскрыть, надавив отверткой. Фактически, ручку надо немного сжать по ширине, хоть ее конструкция не очень-то и сжимаемая.


При разборке защелки немного пострадали, повторной разборки они не переживут. А мне наверняка придется это не раз делать в исследовательских целях. Поэтому я решил немного доработать ручку, чтобы ее можно было разбирать, сдвигая половинки. Для этого надо продлить углубления для защелок до конца ручки. Еще надо немного подпилить ребра на торцах половинок ручки. С помощью фрезерного станка и надфилей удалось это сделать.


Теперь ручка легко разбирается и собирается.


Печатная плата просто вложена в одну из половинок ручки и не имеет никакого крепления.


Со стороны жала в плату впаяно металлическое кольцо, сквозь которое продевается жало. Кольцо никуда не подключено.


Дальше на плате видны контакты, которыми подключается картридж T12. Сверху виден датчик тока 0.02 Ома, включенный последовательно с нагревателем.


С датчика тока сигнал через нулевой чип-резистор поступает на вход ОУ. Дальше стоит синий светодиод с ограничительным резистором 100 кОм (что не мешает быть ему очень ярким). Подключен светодиод параллельно нагревателю. Где прорезь в плате заканчивается, установлен джойстик.


За джойстиком стоит кучка резисторов и конденсаторов. Вверху два резистора делителя обратной связи ОУ термопары. Внизу – резисторы базовой цепи ключа нагревателя. Справа – подтягивающие резисторы джойстика и датчика наклона. Нижний справа – резистор на выходе ОУ термопары и следующий за ним фильтрующий конденсатор. Правее – большой конденсатор фильтра питания.


Сверху на этих элементах был толстый двухсторонний скотч, которым был приклеен OLED-дисплей. Скотч я снял, клей отмыл. При сборке под дисплей просто подложу эластичную прокладку. Шлейф дисплея просто припаян к плате.


За дисплеем на плате расположены элементы преобразователя +5 В: дроссель, диод, один из резисторов обратной связи и конденсаторы. К торцу платы припаян разъем питания 24 В.


На другой стороне платы видим все то же металлическое кольцо и контакты картриджа.


Сверху запаян гремящий датчик наклона SW-200D.


Прямо за прорезью платы запаян ключ нагревателя – P-канальный MOSFET типа AO4485. Вверху биполярный транзистор, который управляет затвором ключа. Дальше стоит микросхема сдвоенного ОУ LM358. Еще вверху видны два резистора типоразмера 0805 (хоть остальное тут в основном 0603), причем точные, по 10 кОм, включенные параллельно между собой и параллельно нагревателю. Не совсем понятно их назначение, но об этом ниже.


Дальше – самое интересное: микроконтроллер со спиленной маркировкой. Судя по выводам, это что-то из семейства STC8H. Правее целая россыпь компонентов, в основном это обвеска OLED-дисплея.

Еще дальше на плате стоит стабилизатор +3.3 В типа XC6206P (маркировка 662K). И какой-то неизвестный импульсный стабилизатор с маркировкой AMLN, который представляет собой что-то близкое к JW5026. Рядом стоит обвеска стабилизатора – диод, бутстрепный конденсатор, резисторы.


Эта сторона платы более насыщенная, вот ее фотографии с другого ракурса.




Теперь все это можно изобразить в виде принципиальной схемы. Получилось что-то такое:


Для управления нагревателем применен ключ на P-канальном транзисторе типа AO4485. Исток подключен к питанию +24 В. Чтобы управлять затвором от вывода микроконтроллера, надо преобразовать уровни. Для этого служит биполярный N-P-N транзистор типа S9014 (маркировка J6). Схема построена таким образом, что размах напряжения на затворе будет равен напряжению питания, т.е. 24 В. В то время как для AO4485 максимальное напряжение затвор-исток не должно превышать ±20 В. Но как-то это работает.

Усилитель сигнала термопары собран на одной половинке ОУ типа LM358. Питается усилитель напряжением +5 В. Коэффициент усиления выбран K = 241. Такой коэффициент для диапазона температур до 450°C и коэффициенте термопары 0.021 мВ/°C даст диапазон напряжений на выходе примерно до 2.5 В.

Слабо понимаю, как такой ОУ можно использовать для этой цели. У него типовое напряжение смещения при 25°C составляет 2 мВ, но может быть до 7 мВ. При коэффициенте термопары 0.021 мВ/°C это даст ошибку от 100°C до 330°C! А еще есть дрейф напряжения смещения, типично 0.007 мВ/°C. В этой схеме к входам ОУ подключены цепи с разным сопротивлением (для неинвертирующего примерно 10 кОм, для инвертирующего – чуть меньше 1 кОм). Данный ОУ имеет вытекающий входной ток, типовое значение которого 45 нА, но может быть до 250 нА. С учетом разных сопротивлений на входах это дает дополнительную ошибку температуры от +20°C до +120°C. Компенсации холодного спая термопары тут нет вообще. У T12, похоже, холодный спай находится под крышкой в конце жала, где сделан переход с проволочек из разных металлов на лепестки контактных колец. Температура внутри ручки при работе будет повышаться, что даст дополнительную погрешность. Тут, скорее всего, в программе микроконтроллера температура холодного спая задана в виде константы, датчика температуры в нем нет. В общем, есть множество причин для возникновения значительной ошибки измерения температуры. На практике видим не такую значительную ошибку, и это чудо.

К слову, по поводу термопары в жалах T12 не все понятно, в разных источниках приведены разные данные. Ясно, что это какая-то «самопальная» термопара от производителя жал, она не подпадает под принятую классификацию.

Еще одной интересной особенностью схемы является то, что на входе ОУ нет никаких элементов защиты. Поскольку в картриджах T12 термопара включена последовательно с нагревателем, во время работы нагревателя на выводах будет полное напряжение питания 24 В. Которое здесь будет приложено к входу ОУ. Но это не ошибка разработчиков и не халатность, а глубокое знание особенностей ОУ типа LM358. У него нет защитных диодов с входов на питание и применена особая схемотехника входного каскада. В результате он допускает на входах напряжение до 32 В вне зависимости от величины напряжения питания.

Параллельно нагревателю подключены два резистора по 10 кОм. При включенном нагревателе каждый из них рассеивает примерно 60 мВт, поэтому выбран типоразмер 0805. Не совсем понимаю, зачем они нужны. При установленном жале они шунтированы низким сопротивлением нагревателя и влияния не оказывают. А без жала – не все ли равно, что происходит?

На другой половинке ОУ собран усилитель датчика тока сопротивлением 0.02 Ома, который включен последовательно с нагревателем. При открытом ключе по нагревателю течет ток примерно 3 А. На резисторе при этом падает 60 мВ. Усиление задано K = 197, что должно дать на выходе ОУ почти 12 В, но при питании 5 В ОУ просто уйдет в насыщение. Поэтому данная цепь не может измерять величину тока нагревателя, а может лишь говорить, есть этот ток, или нет. Наверное, это используется для определения наличия жала. Я бы не использовал датчик тока, а дал бы небольшой ток смещения в нагреватель (чтобы не добавлять погрешность измерения, не более 1 мкА). Тогда усилитель термопары уходил бы в ограничение, когда жало не установлено, что можно использовать для детектирования его наличия.

У джойстика действительно попарно замкнуты выводы, в результате отклонение вверх и вправо, а также вниз и влево никак отличить нельзя. Странное решение, в то время как у микроконтроллера полно свободных выводов.

Микроконтроллер, судя по выводам, семейства STC8H. Это 8051-совместимый контроллер. Питается он от +5 В, работает от внутреннего RC-генератора и использует внутренний опорный источник для АЦП.

Стабилизатор +3.3 В используется только для питания OLED-дисплея, который подключен к контроллеру по шине I2C. Вроде, у контроллеров данного семейства более широкие возможности настройки портов, чем у классических 8051. Но на линиях шины I2C видны выбросы выше 3.3 В, характерные для портов 8051 (там при переключении из 0 в 1 кратковременно включается генератор повышенного тока, а затем остается работать генератор тока с уровнем пониже). Да и вся полка логической единицы на линиях I2C приподнята. Похоже, согласование уровней сделано неверно, через защитные диоды контроллера дисплея протекает ток.

Попробую продемонстрировать эти вещи на осциллограммах, хоть одновременно держать щуп и фотоаппарат перед экраном осциллографа довольно тяжело.


Ниже показана форма сигнала на линии SCL. Видно, что каждый переход из 0 в 1 сопровождается выбросом (по вертикали 1 В на клетку, по горизонтали 1 мкс на клетку). Программа микроконтроллера написана так, что обмен по шине I2C идет непрерывно, скорость примерно 400 кГц.


Получается, дисплей частично питается через защитные диоды контроллера. Может быть, с этим связаны помехи необычайно высокого уровня на выходе стабилизатора +3.3 В (100 мВ на клетку).


Впрочем, напряжение +5 В тоже особой чистотой не отличается. От импульсного преобразователя потребляется низкий ток, в результате он работает с пропуском циклов, на выходе что-то очень нерегулярное. Пульсации поменьше, чем на выходе стабилизатора +3.3 В, но и тут их размах достигает 150 мВ (100 мВ на клетку).


И последняя картинка – напряжение на входе ОУ термопары. Как видно, оно повторяет напряжение на нагревателе и достигает 24 В (5 В на клетку). При этом ОУ себя прекрасно чувствует. Но такой фокус не пройдет с другими типами ОУ, а сюда просится какой-нибудь прецизионный ОУ.


Пора подводить итог. Жала T12 мне понравились, однозначно буду переходить на них. Паять ими намного приятнее, чем жалами 900-й серии. Монолитная конструкция избавляет от возни с проволочками нагревателя, которые в 900-й серии то и дело замыкают или обрываются при перестановке жал.

Конкретно такой паяльник с контроллером в ручке брать не рекомендую, если не нужно работать в полевых условиях. Лучше взять паяльник с обычной ручкой и отдельно блок питания с контроллером. Для себя заказал несколько видов ручек, потому что все их надо подержать в руках, чтобы выбрать. Контроллер буду делать на основе своего, готовые решения мне не особо нравятся. Всякие цветные экраны и сложные меню мне не нужны, все равно ими не буду пользоваться. На паяльной станции достаточно отображать только температуру. По реализации оптимального управления жалами T12 еще остались вопросы, постепенно буду их решать.